300 MW火電機組循環(huán)水系統最優(yōu)運行方式的研究

No2電力科學(xué)與工程2005ELECTRIC POWER SCIENCE AND ENGINEERING19●文章編號: 1672-0792(2005)02-0019-05300MW火電機組循環(huán)水系統最優(yōu)運行方式的研究崔修強(華電國際十里泉發(fā)電廠(chǎng)，山東棗莊277103)Optimal Operation Mode of Circulating Water Systemof 300 MW Thermal Power PlantCUI Xiu-qiang(Shiliquan Power Plant under the HDPI, Zaozhuang 277103, China)Abstract: Based on the turbine optimum vacum theory, opti-16.7/537/537型凝汽式汽輪機。循環(huán)水為單元制閉mization operation in fired-coal power plants is studied. A discrete式系統，機組配有2臺雙速循環(huán)水泵，轉速為334/optimized model is proposed for circulating water system featuring375 r/min。運行中循環(huán)水泵的編組方式有以下4種:noncontinuous change of water flow rate. With the 300 MW單泵低速、單泵高速、雙泵高-低速并聯(lián)、雙泵高power unit of Shiliquan Power Station as an example, the present速并聯(lián)。model is used to study operation optimization in order to deter-循環(huán)水系統是火力發(fā)電廠(chǎng)一個(gè)重要的環(huán)節,循環(huán)mine the most eonomical grouping mode of operation for the cir-culating water pumps at different circulation water temperature水泵所耗用的電能約占電廠(chǎng)總發(fā)電量的1 %~1.5 %，and at various loads of the power unit. The economic operation它又是改變汽輪機真空的重要可調節因素。合理選schemes are obtained. It is employed to regulate the operation of擇循環(huán)水系統的運行方式對于提高發(fā)電廠(chǎng)的經(jīng)濟性circulating water pumps and has obtained significant economic有重要意義。但目前電廠(chǎng)在循環(huán)水系統的運行方式gains. A profit analysis indicates that for a 300 MW power unit it中缺乏可操作性的理論依據，對循環(huán)水量的調節相is pssible to achieve a c∞al consumption saving of 0.5~ 0.7當粗略，并帶有-定的隨意性。循環(huán)水系統遠未達g/ (kW.h).到經(jīng)濟運行，造成了能源的極大浪費。對循環(huán)水系Key words: circulating water system; discrete optimization; e∞o-統的運行方式進(jìn)行優(yōu)化，成為電廠(chǎng)節能降耗工作中nomic operation摘要:由凝汽器最佳真空原理人手，探討了火電廠(chǎng)循環(huán)水系一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。統的運行優(yōu)化問(wèn)題，對水量不可連續變化的單元制循環(huán)水系統提出了一種離散優(yōu)化模型。以山東棗莊十里泉電廠(chǎng)3001循環(huán)水系統優(yōu)化運行原理[1]MW機組為例，利用本模型對循環(huán)水系統進(jìn)行了運行方式的優(yōu)化研究，確定了機組在不同循環(huán)水溫度、不同負荷下最經(jīng)在汽輪機排汽量和循環(huán)水溫度-定的情況下，濟的循環(huán)水泵運行組合方式，編制了循環(huán)水系統最優(yōu)化運行以循環(huán)水流量D.為決策變量,隨著(zhù)Dw的增加，凝工況圖，為運行中實(shí)現指導循環(huán)水泵的科學(xué)經(jīng)濟調度提供了汽器真空升高， 汽輪機功率輸出增加，但同時(shí)循環(huán)量的依據。效益分析表明，對于300 MW機組，循環(huán)水系統水泵的耗功亦隨之增多，抵償增發(fā)功率的收益，使離散優(yōu)化可使電廠(chǎng)標準煤耗降低0.5~0.7g/ (kW.h)。汽輪機的輸出功率N,與循環(huán)泵耗功Np之差達到最關(guān)鍵詞:循環(huán)水系統;離散優(yōu)化;經(jīng)濟運行大的循環(huán)水流量稱(chēng)最佳循環(huán)水流量，相應凝汽器真中團分類(lèi)號: TM621文獻標識碼: A空稱(chēng)最佳真空。即:引言中國煤化工]Np;(1)山東棗莊十里泉發(fā)電廠(chǎng)300 MW機組為N300 -.MHC.NMHG為第i臺水泵的.消耗的功率，kW。收稿日期: 2005-03-31; 修訂日期: 2005-04-28圖1為循環(huán)水流量可連續調節系統的最佳真空● 20.電力科學(xué)與工程2005示意圖?？梢岳糜嬎銠C進(jìn)行這個(gè)一維無(wú)約束尋優(yōu)。連續變動(dòng)，等效益點(diǎn)成為等效益線(xiàn)，由此劃分出切換循環(huán)泵組流量的工況區間。等效益線(xiàn)必然是低循N環(huán)水量與高循環(huán)水量引起凈功轉折工況點(diǎn)的軌跡。根據這-點(diǎn)，等效益線(xiàn)亦可用試驗方法求出。Np綜上所述，循環(huán)水系統優(yōu)化的目標函數中包含了循環(huán)水、汽輪機組和凝汽器三大子系統模型。這些子模型不僅反映了循環(huán)水進(jìn)水溫度、凝汽器真空、r AN汽輪機功率增量、循環(huán)水泵流量、泵功率之間的約Dw 1(.心)束，而且彼此之間借助于循環(huán)水流量存在確定的耦合關(guān)系。.圍1最佳真空示意圖Fig.1 Diagram of optimum vaccum但是目前我國絕大部分大型電廠(chǎng)的循環(huán)水流量3離散優(yōu)化具體計算方法是不能連續調節的，而只能通過(guò)改變水泵的不同組合方式對循環(huán)水流量進(jìn)行間斷調節。對此，式(1)運用本模型對十里泉電廠(chǎng)7號機的循環(huán)水系統和圖1所示優(yōu)化模型在原理上仍具有意義，但無(wú)法進(jìn)行了運行優(yōu)化研究。用于進(jìn)行實(shí)際最優(yōu)循環(huán)水流量的一維搜索， 上述傳3.1 循環(huán)水泵的流與功率統的連續優(yōu)化模型不能采用。針對此種情況，筆者循環(huán)水系統特性可表述為在一定的系統設備構提出了一種新的循環(huán)水系統優(yōu)化模型一離 散優(yōu)化成及系統組織方式下，在某-外部環(huán)境(水溫、壓模型。頭)和確定的循環(huán)水泵運行狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水流量和水泵耗功之間的關(guān)系:2循環(huán)水系統離散優(yōu)化數學(xué)模型Np=f (Dw)(3)式中: Dw為進(jìn)人凝汽器的循環(huán)水流量，tm。對于循環(huán)水流量間斷調整的單元制系統，在給對于十里泉電廠(chǎng)的循環(huán)水泵調節方式，在- -定.定的負荷和水溫下，最佳循環(huán)水流量(最佳真空)的泵轉速下，循環(huán)水泵的特性就確定了，而管路特只是若干離散流量(與泵組合方式對應)中的一個(gè)，性又不會(huì )變化，故系統的管路特性和循環(huán)水泵特性原則上可以用枚舉法確定，但這樣決定最佳流量對影響循環(huán)水流量的關(guān)系比較簡(jiǎn)單,表現為有限的幾于電廠(chǎng)實(shí)際操作意義不大。因為它并沒(méi)有給出最佳個(gè)數值對應。借助于試驗可以確定循環(huán)水流量與循循環(huán)水流量與機組負荷和循環(huán)水溫度的關(guān)系，運行環(huán)水泵運行方式的對應。即循環(huán)水流量、泵功率均人員則需要根據不同季節(水溫)、不同機組負荷來(lái)只與循環(huán)水泵的編組方式(包括轉速切換)有關(guān)，選擇最優(yōu)的循環(huán)水流量，進(jìn)而控制最佳真空。實(shí)際而不須知道系統的管路特性和循環(huán)水泵特性，這是上，在機組負荷-循環(huán)水溫度坐標面上,最優(yōu)循環(huán)離散優(yōu)化的一-個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水流水流量作為函數只是若千個(gè)離散的等高平臺，用枚量、泵功率與泵的編組方式的關(guān)系，即式(3),可舉法無(wú)法確定這些平臺的邊界。借助于試驗取得。為此，我們定義功率凈增益:循環(huán)水泵性能試驗按照水泵試驗標準進(jìn)行,分ON= 0N;- 0Np(2)別進(jìn)行了循環(huán)水泵低速和高速不同組合方式下的性式中: ON,為按某一基準計算的汽輪機的增發(fā)功率,能試驗，通過(guò)對循環(huán)水泵在高、低轉速下的試驗數kW; ONp為按某一基準計算的循環(huán)泵的功率增量,據進(jìn)行整理和計算，得到主要計算結果如表1所示。3.2 汽輪機特性[2~3]離散優(yōu)化的原理就是在確定最佳循環(huán)水流量時(shí),汽輪機特性可表述為汽輪機在某-汽輪機排汽用程序計算等效益點(diǎn)的方法取代簡(jiǎn)單枚舉法,從而流量時(shí)，汽輪機組輸出的功率和排汽壓力之間的關(guān)給出離散的最佳循環(huán)水流量與機組負荷、循環(huán)水溫中國煤化工度的函數關(guān)系并決定切換時(shí)機的臨界工況線(xiàn)。所謂MHCNMH Gpo)(4)等效益點(diǎn)，是指兩相鄰離散循環(huán)水流量產(chǎn)生的功率式中: D。為輪機排式重，t/h; pe 為汽輪機排汽凈增益ON保持相等的點(diǎn)(N, twn)。 如果將負荷壓力，kPao .No2電力科學(xué)與工程喪1不同循環(huán)水泵運行方式下循環(huán)水泵功耗與冷卻水流的關(guān)系Tab.1 Relation of power and water flow rate for circulating water pump under different pump groups循環(huán)水泵運行方式循環(huán)水泵凝汽器過(guò)循環(huán)水泵.循環(huán)泵揚程/m流量/ (t+h~1)水量/ (th~1)功率/kW效率/%雙泵高速并聯(lián)運行36 81234 6363 10125.287.2雙泵高、低速并聯(lián)33 526 .31 2082 65124.487.1單泵高速運行23 506 .21 5721 55921.6 .85.8單泵低速運行.20 50418 6041 10118.086.4.3.2.1排汽量的確定連接方式下，凝汽器的壓力與循環(huán)水溫度、進(jìn)人凝根據汽輪機變工況原理，凝汽式機組末級常處汽器的循環(huán)水流量和汽輪機功率之間的關(guān)系，即:于臨界工況，末級抽汽點(diǎn)壓力p1與排汽量D.成正比;即使處于亞臨界工況，末級抽汽點(diǎn)壓力p也與排汽量D。成正比，即:De_衛(5)Do~ P10式中: p1為末級抽汽點(diǎn)壓力，kPa; D。為設計排汽量，t/h; p1o為末級抽汽點(diǎn)設計壓力，kPao-10-12由此只要測得末級抽汽點(diǎn)壓力p1，便可求得排-14汽量D。o200260 320 380 440560 6203.2.2功率- 背壓關(guān)系的確定排汽量(1.h1)運行中，汽輪機排汽壓力隨著(zhù)很多因素的變化▲2.94 kPa● 4.903 kPa■6.864 kPa。8.826 kPa●10.79 kPa而變化，排汽壓力的變化對機組的經(jīng)濟性及帶負荷<12.75 kPa 2 414.71 kPa能力影響很大，排汽壓力升高,將會(huì )引起機組功率困2低壓缸排汽壓力對功率修正曲線(xiàn)減少。一般汽輪機制造廠(chǎng)在熱力特性計算說(shuō)明書(shū)中Fig.2 Power revised rate curve response to different ex-都提供低壓缸排汽壓力對功率修正曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)是haust steam pressure汽輪機廠(chǎng)根據變工況理論逐級計算并繪制出來(lái)的，pc= fc (tw1, Dw，N)(6)對于沒(méi)有對機組通流部分改造和系統變更的機組,式中: tm為循環(huán)水人口溫度,C。利用此法來(lái)確定背壓變化對機組功率的影響可以滿(mǎn)凝汽器熱力特性的求取可以通過(guò)試驗的方法獲足工程需要，是工程界解決實(shí)際問(wèn)題的一種簡(jiǎn)捷的得。試驗根據JB3344--83《凝汽器性能試驗規程》途徑。進(jìn)行，利用試驗可以確定凝汽器特性曲線(xiàn)圖，由曲圖2為制造廠(chǎng)在熱力特性計算說(shuō)明書(shū)中提供的線(xiàn)圖可以查出某-特定的運行方式下，對應不同循低壓缸排汽壓力對功率修正曲線(xiàn),圖中的曲線(xiàn)族為環(huán)水溫度、流量和機組負荷,凝汽器排汽壓力值。不同的汽輪機排汽壓力。利用此曲線(xiàn)，只要確定汽凝汽器特性曲線(xiàn)可用于指導運行人員監視凝汽器的輪機排汽量即可獲得汽輪機輸出功率-背壓關(guān)系。運行并可為其策劃汽輪機組的安全、可靠、合理的3.3凝汽器熱力特性[4]運行方式，是確定循環(huán)水系統優(yōu)化運行方式的重要影響凝汽器排汽壓力的因素歸納起來(lái)，有結構環(huán)節。參數、物性參數，對于已運行的凝汽器它們是不變對于循環(huán)水流量不能連續調節的系統，凝汽器的;還有運行參數，其中如管子清潔度、凝汽器的特性曲線(xiàn)可以Dw為參變量繪制。對于不同的Dw =嚴密性等，其變化往往是非正常的，運行人員應采定值，給出p。與D。, twn的關(guān)系曲線(xiàn)。圖3、圖4取措施予以消除，在運行時(shí)也較為穩定;運行中經(jīng)分別中國煤化工組循環(huán)水泵在雙泵高常變化的是循環(huán)水進(jìn)口溫度tw、汽輪機功率N,及速并F腫組合方式(對應兩循環(huán)水流量Dw,這三個(gè)因素對凝汽器來(lái)說(shuō)，分別稱(chēng)種循CNM HG盾環(huán)水溫度，負荷的為凝汽器的負荷特性、系統參數特性和環(huán)境特性。變化對凝汽器排汽壓力的影響。凝汽器熱力特性可表述為在一定的設備組成和22●電力科學(xué)與工程200511泵組合方式下的功率凈增益ON1, ON2, 然后不斷10變換機組負荷,這個(gè)過(guò)程直至機組負荷Nt變化到使循環(huán)泵的兩種組合方式的功率凈增益彼此相等，即:ON1= ON記下此時(shí)的汽輪機負荷N;*,則tm*與N,"決定-一個(gè)等效益點(diǎn)(tw1*, N;* )1。其次，改變循環(huán)水進(jìn)水溫度(tw1)2, 重復上述求N;"的過(guò)程，則得到第二個(gè)等效益點(diǎn)(tm",N;* )2,如此試驗得到i個(gè)等效益點(diǎn){(tw1*, N;")i},利用這些等效益點(diǎn)的信息，經(jīng)過(guò)擬合方程計算,'150 180 210240 270300 330將其關(guān)系回歸出循環(huán)水溫度與機組負荷的函數關(guān)系負荷/MW曲線(xiàn)方程，然后將其繪人工況圖。Dw=34 636 t/h最后，將該過(guò)程應用于各個(gè)相鄰流量(或各個(gè)◆20C●25C ▲27C■30C.*33C相鄰泵組合)，即可得到整個(gè)循環(huán)水流量范圍內的循環(huán)水泵最優(yōu)運行方式控制圖。圍3負荷變化對凝汽 器壓力的影響曲線(xiàn)等效益點(diǎn)和等效益線(xiàn)的求解是利用計算機循環(huán)Fig.3 Condenser pressure curves response to turbine pow-程序實(shí)現的，計算結果整理見(jiàn)圖5。由圖5,運行人員可以在任一-循環(huán)水溫度、 機組負荷下確定最經(jīng)濟的循環(huán)水泵運行方式。圖中橫坐標機組負荷N,與縱坐標循環(huán)水初溫tw組成交點(diǎn)，該點(diǎn)落人的泵組合區域就是最佳供水量區域。圖中曲線(xiàn)實(shí)際，上就是循環(huán)水泵切換時(shí)的機組經(jīng)濟性最佳的分界線(xiàn)。(圖中曲線(xiàn)1為雙泵高速并聯(lián)運行切換為雙泵高、低速并聯(lián)運行時(shí)的分界線(xiàn);曲線(xiàn)2為雙泵高、低速并聯(lián)運行切換為單泵高速運行時(shí)的分界線(xiàn);曲線(xiàn)3為單泵高速2「0中150 180 210 240 270 300 3308收NDw=21 572 th◆15C ●18C▲20C■25C圍4負荷變化對凝汽器壓 力的影響曲線(xiàn)Fig.4 Condenser pressure curves response to turbine pow-22,3n●Aer change204基于離散模型的優(yōu)化計算十里泉電廠(chǎng)7號機組循環(huán)水泵4種固定組合方150 180210 240 270 . 300 330式，分別對應于4種不同的循環(huán)水流量。試驗法求N/MW等效益線(xiàn)的方法如下。圉5循環(huán)水系統離散優(yōu)化結果困首先，固定循環(huán)水進(jìn)水溫度twl=tm",與某一Fig.5 Discrete optimized result for circulating water sys-機組負荷N,對應，在兩相鄰循環(huán)水流量(與相鄰泵組合相應)間切換，利用上述各子系統模型分別計運行切中國煤化工界線(xiàn))。由優(yōu)化結算在點(diǎn)(N, tm1)時(shí)兩種相鄰的泵組合(分別以下果知:YHC NMH C或; I區域為單泵標1, 2代表)的發(fā)電功率增量ONu，ON2和泵功高速運行區域;皿區域為雙泵高、低速并列運行區增量ONp，ON2;在利用式(2)分別計算出不同域; IV區域為雙泵高速并列運行區域(工作點(diǎn)落在No2電力科學(xué)與工程曲線(xiàn)界面時(shí)，應以界面線(xiàn)下側區域為準)。例如，當可操作性強，而且無(wú)須增加額外的支出,有很好的推負荷為240 MW,循環(huán)水溫為21 C時(shí)，在圖5上確廣價(jià)值。定一點(diǎn)A，它在單泵高速運行區域，此時(shí)投用1臺參考文獻: .高速循環(huán)水泵運行是最經(jīng)濟的，相應的最佳循環(huán)水量為19 250 t/h。[1]崔修強.300 MW機組循環(huán)水系統運行方式優(yōu)化[D] .濟南:山東大學(xué), 2004.5效益分析[2]剪天聰.汽輪機原理[M] . 北京:水利電力出版社，1992.根據循環(huán)水泵最優(yōu)運行工況圖，可對電廠(chǎng)循環(huán)[3]哈爾濱汽輪機廠(chǎng).N300 - 16.7/537/537型汽輪機熱力特水系統運行方式給出優(yōu)化建議，運行人員可由此確性[R] . 哈爾濱:哈爾濱汽輪機廠(chǎng)，1992.定最經(jīng)濟的循環(huán)水泵運行方式。電廠(chǎng)采用上述優(yōu)化[4]張卓澄.大型電站凝汽器[M] . 北京:機械工業(yè)出版社，1993.措施后，可以從根本上克服循環(huán)水泵啟停的隨意性[5]張欒英，李建強，谷俊杰，等.100 MW循環(huán)流化床鍋和盲目性的缺點(diǎn)，保證機組的凝汽器運行真空接近爐床溫控制策略[J] . 華北電力大學(xué)學(xué)報，2004，(1):其最佳值，從而大幅度地降低電廠(chǎng)用電,提高電廠(chǎng)44-47.經(jīng)濟效益。十里泉電廠(chǎng)通過(guò)合理安排循環(huán)水泵運行方式, .使機組運行安全性和經(jīng)濟性都得到了提高。在任一作者簡(jiǎn)介:崔修強(1972-),男，山東滕州人，華電國際十里汽輪機負荷和循環(huán)水溫度下(對應圖5上的一個(gè)泉電廠(chǎng)助理工程師，主要從事火力發(fā)電廠(chǎng)節能和輔機運行方式優(yōu)化點(diǎn))，計算最佳循環(huán)水流量與相鄰流量的功率凈增益方面的研究。ON的差值，即可得到采用最佳循環(huán)水流量的節能效益。十里泉電廠(chǎng)300 MW機組年統計平均負荷大全球最大核電商看重我國電力市場(chǎng)約為250MW,按不同季節循環(huán)水溫度進(jìn)行效益的全球最大核電商一-法國阿萊 瓦集團總裁羅薇中女加權平均計算，每年節能收益81.26萬(wàn)元，供電標士在第11屆中法經(jīng)濟研討會(huì )上說(shuō),為了解決中國能源短煤耗降低0.611 2g/(kW.h)。缺,中國近年來(lái)加快了同外國核電企業(yè)合作的步伐,法國作為世界上核電技術(shù)領(lǐng)先的國家，已經(jīng)同中國進(jìn)行了成6結論效卓著(zhù)的合作。據羅薇中介紹,法國阿萊瓦集團參與了我國多座核(1)在影響汽輪機凝汽器真空變化的諸多因素電站的建設工作,并且制定了專(zhuān)門(mén)針對我國的技術(shù)轉讓計劃,集團在我國的雇員超過(guò)3500人。她說(shuō),中國準備中，運行中可以調節的只有循環(huán)水量。選擇最佳的在今后15年大力發(fā)展核電工業(yè),這使得中國市場(chǎng)對于阿循環(huán)水流量是實(shí)現循環(huán)水系統優(yōu)化運行的基礎。汽萊瓦尤為重要。輪機的最佳真空隨機組負荷、循環(huán)水溫度的變化而從全球范圍看,發(fā)展核電是大國能源戰略的必然選變化。外部條件變化時(shí)，及時(shí)調整泵的運行方式，擇。法國的核電發(fā)電量占總發(fā)電量的77 % ,比利時(shí)達50 %,整個(gè)歐盟為35 %,日本為34 %,美國為20 %。實(shí)現循環(huán)水系統的優(yōu)化運行，可顯蓍提高系統的經(jīng)然而,我國核電發(fā)電量所占比例不足2 %。我國核燃料濟性。資源既有保證，又有潛力,發(fā)展核電具有廣闊的前景。(2)提出了以等效益點(diǎn)迭代計算為主要特征的按照發(fā)展改革委的測算，到2020年,我國的電力總循環(huán)水系統離散優(yōu)化模型。此優(yōu)化模型對循環(huán)水量裝機容量將達到9億至10億kW。按國家能源結構調整的規劃設想,屆時(shí)核電的裝機容量要達到總裝機容量不可連續調節的循環(huán)水系統普遍適用。的4%,即3600萬(wàn)kW至4000萬(wàn)kW。按照這個(gè)要求,(3)對十里泉電廠(chǎng)300 MW機組進(jìn)行了循環(huán)水在今后15年內,我國的核電裝機容量至少要新增3 000系統優(yōu)化運行研究，經(jīng)優(yōu)化計算得出了循環(huán)水泵最萬(wàn)kW,即比現在增加300 %以上,平均每年要建成兩臺佳運行控制圖，所得到的優(yōu)化運行曲線(xiàn)圖直觀(guān)簡(jiǎn)潔，百萬(wàn)kW級的核電機組。中國煤化工法國技術(shù),建造了兩臺可作為指導電廠(chǎng)運行人員對循環(huán)水系統優(yōu)化操作的依據。.HCNMH(核電站建設時(shí), 中法又術(shù)轉讓合作。(4)不同機組負荷下，本優(yōu)化平均可降低供電(華電校園網(wǎng))標煤耗0.5~0.7g/(kW.h)。該方法簡(jiǎn)便易行，運行